DE112004000170T5

DE112004000170T5 - Verbesserter Elektrokatalysator für PEM-Brennstoffzellen auf Grundlage gemischter Kohlenstoffträger

Info

Publication number: DE112004000170T5
Application number: DE112004000170T
Authority: DE
Inventors: Susan G. Yan; Brian A. Litteer
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2008-01-10
Also published as: JP2006518272A; WO2004073087A2; WO2004073087A3; US20040265665A1

Abstract

Katalysatorzusammensetzung mit:
einem ersten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet ist, und
einem zweiten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m²/g ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), die einen verbesserten Elektrodenkatalysator verwendet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff stellt eine sehr attraktive Brennstoffquelle dar, da sie sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoff protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben. Viele Brennstoffzellen sind in einem Stapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen.
PEM-Brennstoffzellen stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. In einer PEM-Brennstoffzelle ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand, d.h. der Brennstoff, und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand, d.h. das Oxidationsmittel. Der Kathodenreaktand kann entweder reiner Sauerstoff oder Luft (ein Gemisch aus O₂ und N₂) sein. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Kombination der Anode, Kathode und Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
1 ist eine Schnittansicht einer vereinfachten MEA 10 für eine PEM-Brennstoffzelle. Die MEA 10 umfasst eine Kathode 12, eine Anode 14 und eine dünne protonenleitende Polymerelektrolytmembran 16, die dazwischen schichtartig angeordnet ist. Die Kathode 12 umfasst eine Gasdiffusionslage 18 und eine Kathodenkatalysatorlage 20, die an einer Fläche der Diffusionslage 18 neben der Membran 16 ausgebildet sind, wie gezeigt ist.
Die Katalysatorlage 20 umfasst dispergierte Kohlenstoffpartikel 22, an denen Platinpartikel 24 angehaftet sind. Ähnlicherweise umfasst die Anode 14 eine Gasdiffusionslage 26 und eine Anodenkatalysatorlage 28, die an einer Fläche der Diffusionslage 26 neben der Membran 16 ausgebildet sind, wie gezeigt ist. Die Katalysatorlage 28 umfasst dispergierte Kohlenstoffpartikel 30, an denen Platinpartikel 32 angehaftet sind.
Der Platinkatalysator spaltet die Wasserstoffprotonen und Elektronen von dem Wasserstoff-Brennstoff in der Anode 14 auf und kombiniert die Elektronen, Wasserstoffprotonen und den Sauerstoff in der Kathode 12, um Wasser zu erzeugen. Die Kathodenkatalysatorlage 20 und die Anodenkatalysatorlage 28 können identisch sein, um diesen chemischen Betrieb vorzusehen. Die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle ist durch die Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR) in der Kathode 12 begrenzt, da die Sauerstoffatome größer und langsamer als die Wasserstoffatome in der Anode 14 sind. Somit ist die Reaktion von Sauerstoff mit dem Platin in der Kathode 12 langsamer als die Reaktion von Wasserstoff mit dem Platin in der Anode 14. Daher ist es wichtig, ein Katalysatorgebiet vorzusehen, das für einen guten Zugang der Sauerstoffatome zu den Platinpartikeln 24 in der Katalysatorlage 20 sorgt.
Es können verschieden große Kohlenstoffpartikel in einem Pulverformat vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass die Platinpartikel daran anhaften können. Es ist erwünscht, die Größe der Kohlenstoffpartikel klein genug zu machen, so dass mehr Oberfläche zur Aufnahme des Platins vorhanden ist. Da jedoch die Größe der Kohlenstoffpartikel abnimmt, nimmt die Porosität der Katalysatorlage ab, was die Fähigkeit der Katalysatorlage verringert, einen Gastransport, der die Wasserstoff- und Sauerstoffgase umfasst, zu ermöglichen, wie auch die Fähigkeit der Katalysatorlage verringert, Wasser auszutragen.
In der Technik sind verschiedene Katalysatoren für die Katalysatorlagen 20 und 28 bekannt. Gegenwärtig umfassen die besten MEA-Katalysatoren 40–50 Gewichtsprozent (Gew.-%) Platin (Pt), das an einem Kohlenstoffträger angehaftet ist. Zwei gut bekannte Katalysatoren für eine MEA umfassen 50 Gew.-% Pt, das auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g (nachfolgend Katalysator 1) ausgebildet ist, und 50 Gew.-% Pt, das auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m²/g (nachfolgend Katalysator 2) ausgebildet ist. BET ist ein Maß, wie viel Stickstoff auf der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel adsorbiert wird und das in Bezug zu der Oberfläche, d.h. der Größe der Kohlenstoffpartikel in dem Pulver, gebracht werden kann. Somit definiert die BET-Oberfläche die Porosität des Kohlenstoffs. Eine BET-Oberfläche mit höherem Wert besitzt kleinere Kohlenstoffpartikel, um zu ermöglichen, dass mehr Platin daran angebracht werden kann. Eine BET-Oberfläche mit niedrigerem Wert besitzt größere Kohlenstoffpartikel, die eine kleinere Oberfläche, jedoch eine größere Porosität für die Strömung des Wassers und der Gase durch die Diffusionslagen 18 und 26, die Membran 16 wie auch die Katalysatorlagen 20 und 28 vorsehen. Daher besitzt der Katalysator 1 eine größere Porosität jedoch eine kleinere Kohlenstoffoberfläche, an der das Platin anhaften kann, im Vergleich zu dem Katalysator 2.
2 ist ein Diagramm mit der Spannung an der vertikalen Achse und der Stromdichte an der horizontalen Achse, das Polarisationskurven für sowohl Sauerstoff als auch Luft für die Katalysatoren 1 und 2 zeigt. Die Katalysatoren 1 und 2 besitzen eine Platindichte (Beladung) von 0,4 mg Pt/cm², 150 kPa, T_Zelle = 80 C, Taupunkt = 80/80C und Stöchiometrie ist 2,0 H₂-Anode und an der Kathode entweder 9,5 für reinen Sauerstoff oder 2,0 für Luft. Die Dicke der Lage des Katalysators 1 beträgt etwa 13–14 μm, und die Dicke der Lage des Katalysators 2 beträgt etwa 10 μm. Die elektrochemische Platinoberfläche ist für den Katalysator 1 niedriger (55 m²/g) im Vergleich zu 66 m²/g für das auf dem Katalysator 2 getragene Platin.
Die Diagrammlinie 40 ist die Spannung für den Katalysator 1, wenn Sauerstoff das Kathodenoxidationsmittel ist, die Diagrammlinie 42 ist die Spannung für den Katalysator 2, wenn Sauerstoff das Kathodenoxidationsmittel ist, die Diagrammlinie 44 ist die Spannung für den Katalysator 1, wenn Luft das Kathodenoxidationsmittel ist, und die Diagrammlinie 46 ist die Spannung für den Katalysator 2, wenn Luft das Kathodenoxidationsmittel ist. Die Spannung an der vertikalen Achse umfasst nicht den Innenwiderstand der MEA 10, der einen Spannungsabfall über die Membran 16 (E-IR frei) erzeugt. Aufgrund der Sauerstoffpolarisationskurve sieht der Katalysator 2 eine Steigerung von 20–30 mV gegenüber dem Katalysator 1 vor.
Das Brennstoffzellenbetriebsverhalten für ein Oxidationsmittel aus reinem Sauerstoff ergibt die am besten kinetisch gesteuerte Leistungsfähigkeit für sowohl den Katalysator 1 als auch 2. Für niedrige Stromdichten unter Verwendung von Luft als dem Kathodenoxidationsmittel ist die SRR immer noch kinetisch gesteuert, so dass der Katalysator 2 die beste Leistungsfähigkeit bzw. das beste Betriebsverhalten vorsieht. Dies kann auf die hohe Dispersität von Platin an den kleineren Kohlenstoffpartikeln zurückgeführt werden. Für höhere Stromdichten unter Verwendung von Luft treten jedoch Massentransportbegrenzungen als Ergebnis des Flutens und dergleichen auf. Das Fluten ist das Phänomen, das auftritt, wenn die Poren in der Katalysatorlage zu klein sind, als dass das Wasser entfernt werden könnte. Der schlechte Massentransport kann das Ergebnis kleinerer Poren in der Katalysatorlage, die den Katalysator 2 enthält, sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine MEA für eine PEM-Brennstoffzelle offenbart, die einen verbesserten Elektrodenkatalysator verwendet. Die MEA umfasst eine Anode, eine Kathode und eine Polymerelektrolytmembran dazwischen. Die Anode umfasst eine Gasdiffusionslage und eine Anodenkatalysatorlage benachbart der Elektrolytmembran. Die Kathode umfasst eine Gasdiffusionslage und eine Kathodenkatalysatorlage benachbart der Elektrolytmembran. Bei einer Ausführungsform ist der Katalysator für die Anodenkatalysatorlage und/oder die Kathodenkatalysatorlage eine Kombination aus einem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator. Der erste Katalysator umfasst etwa 50 Gew.-% Pt auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g. Der zweite Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m²/g. Bei einer Ausführungsform beträgt die BET-Oberfläche des zweiten Katalysators etwa 800 m²/g, und das Verhältnis des ersten Katalysators zu dem zweiten Katalysator beträgt 1:1.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht im Schnitt einer MEA für eine PEM-Brennstoffzelle, die einen verbesserten Katalysator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
2 ist ein Diagramm mit der Spannung an der vertikalen Achse und der Stromdichte an der horizontalen Achse, das Polarisationskurven zeigt, die die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für Sauerstoff und Luft für zwei verschiedene Katalysatoren zeigen; und
3 ist das in 2 gezeigte Diagramm mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für den Katalysator der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Katalysator für eine MEA in einer PEM-Brennstoffzelle gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Wie oben auf Grundlage der in 2 gezeigten Polarisationskurven beschrieben ist, besitzt der Katalysator 2 über den gesamten Stromdichtebereich mit Sauerstoff eine Erhöhung von 20–30 mV gegenüber dem Katalysator 1. Um diesen Vorteil über den gesamten Stromdichtebereich mit Luft zu erzielen, schlägt die vorliegende Erfindung das Mischen der Katalysatoren 1 und 2 vor, um einen verbesserten Katalysator vorzusehen. Bei einer Ausführungsform werden die beiden Katalysatoren in einem Verhältnis von 1:1 gemischt. Der Katalysator der Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber den Katalysatoren 1 und 2 allein dar, da er eine erhöhte Spannungsabgabe über den anwendbaren Bereich von Stromdichten vorsieht, als mit nur einem der Katalysatoren 1 und 2. Somit können die Katalysatorlagen in einer MEA dünner ausgebildet werden, d.h. mit einer geringeren Pt-Beladung, um dieselbe Spannungsabgabe wie mit stärker Pt-beladenen Katalysatoren vorzusehen. Durch Kombination der Katalysatoren 1 und 2 wird der Kompromiss zwischen Porengröße und Kohlenstoffoberfläche verbessert. Die Katalysatorlage wird optimiert, indem ein Gleichgewicht zwischen dem Katalysator mit der höheren Oberfläche (Katalysator 2), der gut dispergierte Pt-Partikel aufweist, und dem Katalysator mit geringerer Oberfläche (größere Kohlenstoffpartikel) (Katalysator 1) erzeugt wird, der eine erhöhte Porosität besitzt.
3 ist das in 2 gezeigte Diagramm mit der Leistungsfähigkeit des Katalysators der Erfindung. Für niedrige Stromdichten unter Verwendung von Luft ist die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für den vorgeschlagenen Katalysator der Erfindung geringfügig niedriger, als für den Katalysator 2 allein. Jedoch folgt bei hohen Stromdichten unter Verwendung von Luft die Zellenleistungsfähigkeit dem Katalysator 1, jedoch insgesamt mit einer Steigerung von 30 mV. Die Dicke bei einer Beladung von 0,4 mg/cm² für den Katalysator der Erfindung beträgt etwa 14 μm, die ähnlich zu der des Katalysators 1 ist. Dies zeigt, dass der Katalysator der Erfindung eine ähnliche Gesamtporosität wie der Katalysator 1 besitzt, so dass die Massentransportbegrenzungen demselben Trend folgen. Die Vorteile für den Katalysator der Erfindung bestehen darin, dass er nicht nur eine Katalysatorlage mit einer gewünschten Porosität von dem Katalysator 1 erzeugt, sondern auch eine höhere elektrokatalytische Aktivität aufgrund des Beitrags der hohen Platindispersion von dem Katalysator 2 aufweist.
Gemäß der Erfindung kann der verbesserte Katalysator der Erfindung in der Kathodenkatalysatorlage 20 und/oder der Anodenkatalysatorlage 28 verwendet werden. Es wird angenommen, dass der größte Nutzen durch Verwendung des Katalysators in beiden Katalysatorlagen 20 und 28 erzielt werden kann.
Variationen der Katalysatoren 1 und 2 können kombiniert werden, um den Katalysator gemäß der Erfindung vorzusehen. Beispielsweise können andere Kohlenstoffträger neben Vulcan und Ketjen Black in sowohl der Anode 14 als auch der Kathode 12 verwendet werden, wie beispielsweise Acetylen Black bzw. Acetylenruß mit einer BET-Oberfläche von 50–100 m²/g und Black Pearls mit einer BET-Oberfläche von 1500–2000 m²/g. Ferner können Mischungen dieser verschiedenen Kohlenstoffträger, wie beispielsweise Kombinationen von Acetylen Black, Ketjen Black, Vulcan, Black Pearls, etc. verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist es erwünscht, dass der resultierende Katalysator eine Kombination aus zwei oder mehreren Katalysatoren mit Kohlenstoff mit niedriger Oberfläche und Kohlenstoff mit hoher Oberfläche ist.
Ferner können andere Gewichtsprozentsätze von Platin in den Katalysatoren 1 und 2 verwendet werden. Beispielsweise kann der Katalysator 1 20 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 70 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Der Katalysator 1 kann 50 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 10 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Der Katalysator 1 kann 30 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 30 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Es können auch andere geeignete Gewichtsprozentsätze von Platin verwendet werden. Auch können die Verhältnisse der Katalysatoren 1 und 2 von dem Verhältnis von 1:1 verschieden sein. Beispielsweise kann das Verhältnis des Katalysators 1 zu dem Katalysator 2 1:5 bis 5:1, 1:2 bis 2:1 oder 1:0,8 etc. sein.
Auch können andere Katalysatormetalle verwendet werden, wie beispielsweise Platinlegierungen. Beispielsweise kann das Katalysatormetall PtRu sein, wie beispielsweise eine Kombination aus auf Vulcan getragenem PtRu gemischt mit auf Ketjen Black getragenem PtRu. Das Katalysatormetall kann einen beliebigen geeigneten Gewichtsprozentsatz eines auf Kohlenstoff getragenen Katalysatormetalls umfassen. Das Katalysatormetall kann PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi, PtRu oder eine beliebige andere Pt-Legierung mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren sein.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen offensichtlich, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen darin ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Eine Membranelektrodenanordnung für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle verwendet einen verbesserten Katalysator. Der Katalysator ist eine Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators. Der erste Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt und ist auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet. Der zweite Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt und ist auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m²/g ausgebildet. Das Verhältnis des ersten Katalysators zu dem zweiten Katalysator beträgt 1:1.

Claims

Katalysatorzusammensetzung mit: einem ersten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet ist, und einem zweiten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m²/g ausgebildet ist.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung ein Verhältnis von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator eine Oberfläche von etwa 800 m²/g besitzt.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffpartikel in dem ersten und zweiten Katalysator Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black, Vulcan und/oder Kombinationen von Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black und Vulcan umfassen.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pt-Legierung PtRu, PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi und/oder Pt-Legierungen mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von weniger als 0,4 mg/cm² umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung Teil einer Anode und/oder einer Kathode in einer Membranelektrodenanordnung ist.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Membranelektrodenanordnung Teil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist.
Katalysatorzusammensetzung mit einer Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt umfasst und auf Vulcan-XC72-Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet ist, und der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt umfasst und auf Ketjen-Black-Kohlenstoffpartikel mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m²/g ausgebildet ist.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Mischung eine Mischung von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators ist.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von kleiner als 0,4 mg/cm² umfasst.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorzusammensetzung Teil einer Anode und/oder einer Kathode in einer Membranelektrodenanordnung ist.
Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 14, wobei die Membranelektrodenanordnung Teil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist.
Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, wobei die Anordnung umfasst: eine Elektrolytmembran; eine Anode, die an einer Seite der Membran positioniert ist; und eine Kathode, die an einer der Anode entgegengesetzten Seite der Membran positioniert ist, wobei die Kathode eine Kathodenkatalysatorlage umfasst, wobei die Kathodenkatalysatorlage eine Katalysatorzusammensetzung umfasst, die aus einer Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators besteht, wobei der erste Katalysator 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet ist, und der zweite Katalysator 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1200 m²/g ausgebildet ist.
MEA nach Anspruch 16, wobei die Katalysatorzusammensetzung ein Verhältnis von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators umfasst.
MEA nach Anspruch 16, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
MEA nach Anspruch 16, wobei der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
MEA nach Anspruch 16, wobei der zweite Katalysator eine BET-Oberfläche von etwa 800 m²/g umfasst.
MEA nach Anspruch 16, wobei die Kohlenstoffpartikel in dem ersten und zweiten Katalysator Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black, Vulcan und/oder Kombinationen von Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black und/oder Vulcan umfassen.
MEA nach Anspruch 16, wobei die Pt-Legierung PtRu, PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi und/oder Pt-Legierungen mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren umfasst.
MEA nach Anspruch 16, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von weniger als 0,4 mg/cm² umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorzusammensetzung, umfassend, dass: ein erster Katalysator vorgesehen wird, der 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m²/g ausgebildet ist; ein zweiter Katalysator vorgesehen wird, der 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1200 m²/g ausgebildet ist; und der erste Katalysator und der zweite Katalysator gemischt werden, um die Zusammensetzung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Mischen des ersten Katalysators mit dem zweiten Katalysator umfasst, dass der erste Katalysator mit dem zweiten Katalysator in einem Verhältnis von 1:1 gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen des ersten Katalysators umfasst, dass der erste Katalysator mit etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung, getragen auf Vulcan-XC72-Kohlenstoffpartikeln vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen des zweiten Katalysators umfasst, dass der zweite Katalysator mit etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung, getra gen auf Ketjen-Black-Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m²/g vorgesehen wird.